用于封装内光互连的垂直集成光子小芯片的制作方法

技术特征：
1.一种垂直集成光子小芯片组件，包括：封装衬底；连接到所述封装衬底的顶表面的外部器件；设置在所述封装衬底内的光子芯片，所述光子芯片包括位于所述光子芯片的顶表面处的光耦合器件；多个导电通孔结构，设置在所述封装衬底内与所述光子芯片内的电路电连接，所述多个导电通孔结构通过所述封装衬底电连接到所述外部器件；穿过所述衬底的所述顶表面形成的开口，所述开口暴露所述光耦合器件所位于的所述光子芯片的顶表面的部分；以及光纤阵列，设置并固定在所述开口内，使得所述光纤阵列的多个光纤光耦合到所述光耦合器件。2.根据权利要求1所述的垂直集成光子小芯片组件，其中，所述封装衬底由介电材料、环氧树脂、聚酰亚胺材料和有机材料中的一种或多种形成。3.根据权利要求1所述的垂直集成光子小芯片组件，其中，所述封装衬底包括导电接触焊盘和导电通孔。4.根据权利要求3所述的垂直集成光子小芯片组件，其中，所述封装衬底包括导电互连线。5.根据权利要求1所述的垂直集成光子小芯片组件，其中，所述外部器件是片上系统半导体芯片。6.根据权利要求1所述的垂直集成光子小芯片组件，其中，所述外部器件是电光半导体芯片。7.根据权利要求1所述的垂直集成光子小芯片组件，其中，所述外部器件被倒装芯片连接到所述封装衬底。8.根据权利要求1所述的垂直集成光子小芯片组件，其中，所述光子芯片电连接到所述外部器件内的电源，并且其中，所述光子芯片电连接到所述外部器件内的参考地电位。9.根据权利要求1所述的垂直集成光子小芯片组件，其中，所述光纤阵列包括光转向部件，所述光转向部件用于将光引导到位于所述光子芯片的顶表面处的所述光耦合器件中并且用于重新引导从位于所述光子芯片的顶表面处的所述光耦合器件发出的光。10.根据权利要求1所述的垂直集成光子小芯片组件，其中，所述光纤阵列包括光透镜化部件，所述光透镜化部件用于将光聚焦到位于所述光子芯片的顶表面处的所述光耦合器件中。11.根据权利要求1所述的垂直集成光子小芯片组件，还包括：设置在所述外部器件与所述封装衬底之间的介电底部填充材料。12.根据权利要求1所述的垂直集成光子小芯片组件，还包括：设置在所述封装衬底内的平台结构，所述光子芯片设置在所述平台结构上。13.一种垂直集成光子小芯片组件，包括：封装衬底；连接到所述封装衬底的顶表面的外部器件；设置在所述封装衬底内的光子芯片，所述光子芯片包括位于所述光子芯片的侧表面处
的光耦合器件；多个导电通孔结构，设置在所述封装衬底内与所述光子芯片内的电路电连接，所述多个导电通孔结构通过所述封装衬底电连接到所述外部器件；在所述衬底的边缘处穿过所述衬底的顶表面形成的切口区，所述切口区暴露所述光耦合器件所位于的所述光子芯片的侧表面的部分；以及光纤阵列，设置并固定在所述切口区内，使得所述光纤阵列的多个光纤光耦合到所述光耦合器件。14.根据权利要求13所述的垂直集成光子小芯片组件，其中，所述封装衬底由介电材料、环氧树脂、聚酰亚胺材料和有机材料中的一种或多种形成。15.根据权利要求13所述的垂直集成光子小芯片组件，其中，所述封装衬底包括导电接触焊盘和导电通孔。16.根据权利要求15所述的垂直集成光子小芯片组件，其中，所述封装衬底包括导电互连线。17.根据权利要求13所述的垂直集成光子小芯片组件，其中，所述外部器件是片上系统半导体芯片。18.根据权利要求13所述的垂直集成光子小芯片组件，其中，所述外部器件是电光半导体芯片。19.根据权利要求13所述的垂直集成光子小芯片组件，其中，所述外部器件被倒装芯片连接到所述封装衬底。20.根据权利要求13所述的垂直集成光子小芯片组件，其中，所述光子芯片电连接到所述外部器件内的电源，并且其中，所述光子芯片电连接到所述外部器件内的参考地电位。21.根据权利要求13所述的垂直集成光子小芯片组件，其中，所述封装衬底在所述光子芯片的顶表面上延伸。22.根据权利要求13所述的垂直集成光子小芯片组件，其中，所述光纤阵列包括光透镜化部件，所述光透镜化部件用于将光聚焦到位于所述光子芯片的侧表面处的所述光耦合器件中。23.根据权利要求13所述的垂直集成光子小芯片组件，还包括：设置在所述外部器件与所述封装衬底之间的介电底部填充材料。24.根据权利要求13所述的垂直集成光子小芯片组件，还包括：设置在所述封装衬底内的平台结构，所述光子芯片设置在所述平台结构上。25.一种垂直集成光子小芯片组件，包括：模制化合物材料层；设置在所述模制化合物材料层内的光子芯片，所述光子芯片包括位于所述光子芯片的侧表面处的光耦合器件；设置在所述模制化合物材料层内的光波导，所述光波导光耦合到位于所述光子芯片的侧表面处的所述光耦合器件；重分布层，形成在所述模制化合物材料层上和在所述光子芯片上以及在所述光波导上；以及外部器件，倒装芯片连接到所述重分布层的顶表面，所述重分布层包括将所述光子芯
片电连接到所述外部器件的导电触点和导电互连线。26.根据权利要求25所述的垂直集成光子小芯片组件，其中，所述重分布层包括钝化层和介电材料层，所述钝化层设置在所述模制化合物材料层、所述光子芯片和所述光波导中的每一个上。27.根据权利要求25所述的垂直集成光子小芯片组件，其中，所述光子芯片和所述光波导以并排接触方式定位在所述模制化合物材料层内。28.根据权利要求25所述的垂直集成光子小芯片组件，还包括：介电材料层，设置在所述模制化合物材料层的与所述模制化合物材料层、所述重分布层相对的表面上。29.根据权利要求28所述的垂直集成光子小芯片组件，还包括：穿过所述模制化合物材料层形成的至少一个导电柱；以及至少一个导电接触焊盘，设置在所述模制化合物材料层上并且分别电连接到所述至少一个导电柱，所述至少一个导电接触焊盘中的每一个通过所述介电材料层中的对应开口暴露。30.根据权利要求25所述的垂直集成光子小芯片组件，其中，所述外部器件是片上系统半导体芯片。31.根据权利要求25所述的垂直集成光子小芯片组件，其中，所述外部器件是电光半导体芯片。32.根据权利要求25所述的垂直集成光子小芯片组件，其中，所述光子芯片电连接到所述外部器件内的电源，并且其中，所述光子芯片电连接到所述外部器件内的参考地电位。33.根据权利要求25所述的垂直集成光子小芯片组件，还包括：光纤阵列，包括多个光纤，所述多个光纤光耦合到位于所述光子芯片的侧表面处的所述光耦合器件。34.根据权利要求33所述的垂直集成光子小芯片组件，其中，所述光纤阵列包括光透镜化部件，所述光透镜化部件用于将光聚焦到位于所述光子芯片的侧表面处的所述光耦合器件中。35.根据权利要求25所述的垂直集成光子小芯片组件，还包括：设置在所述外部器件与所述重分布层之间的介电底部填充材料。36.根据权利要求25所述的垂直集成光子小芯片组件，其中，所述光子芯片是第一光子芯片，并且所述光耦合器件是第一组光耦合器件，其中，所述垂直集成光子小芯片组件包括设置在所述模制化合物材料层内的第二光子芯片，所述第二光子芯片包括位于所述第二光子芯片的侧表面处的第二组光耦合器件，其中，所述光波导光耦合到位于所述第二光子芯片的侧表面处的所述第二组光耦合器件，所述光波导被配置成将所述第一组光耦合器件光连接到所述第二组光耦合器件。37.根据权利要求36所述的垂直集成光子小芯片组件，其中，在所述第二光子芯片上形成所述重分布层。38.根据权利要求37所述的垂直集成光子小芯片组件，其中，所述外部器件是第一外部器件，其中，所述垂直集成光子小芯片组件包括被倒装芯片连接到所述重分布层的顶表面的第二外部器件，所述重分布层包括将所述第二光子芯片电连接到所述第二外部器件的导
电触点和导电互连线。39.一种垂直集成光子小芯片组件，包括：封装衬底；设置在所述封装衬底内的光子芯片，所述光子芯片的第一部分在所述封装衬底的顶表面处暴露，所述光子芯片的所述第一部分包括光耦合器件；光纤阵列，固定到所述封装衬底，使得所述光纤阵列的多个光纤光耦合到所述光耦合器件；以及外部器件，倒装芯片连接到所述封装衬底的顶表面的一部分和所述光子芯片的第二部分两者。40.根据权利要求39所述的垂直集成光子小芯片组件，其中，所述封装衬底由介电材料、环氧树脂、聚酰亚胺材料和有机材料中的一种或多种形成。41.根据权利要求39所述的垂直集成光子小芯片组件，其中，所述封装衬底包括导电接触焊盘和导电通孔。42.根据权利要求41所述的垂直集成光子小芯片组件，其中，所述封装衬底包括导电互连线。43.根据权利要求39所述的垂直集成光子小芯片组件，其中，所述外部器件是片上系统半导体芯片。44.根据权利要求39所述的垂直集成光子小芯片组件，其中，所述外部器件是电光半导体芯片。45.根据权利要求39所述的垂直集成光子小芯片组件，其中，所述外部器件被倒装芯片连接到所述封装衬底和所述光子芯片两者。46.根据权利要求39所述的垂直集成光子小芯片组件，其中，所述光子芯片电连接到所述外部器件内的电源，并且其中，所述光子芯片电连接到所述外部器件内的参考地电位。47.根据权利要求39所述的垂直集成光子小芯片组件，还包括：设置在所述外部器件与所述封装衬底之间的介电底部填充材料。48.根据权利要求39所述的垂直集成光子小芯片组件，还包括：设置在所述封装衬底内的平台结构，所述光子芯片设置在所述平台结构上。49.根据权利要求39所述的垂直集成光子小芯片组件，其中，所述光子芯片的第一部分是所述光子芯片的顶表面的第一部分，其中，所述光耦合器件位于所述光子芯片的顶表面处在光子芯片的所述第一部分内。50.根据权利要求49所述的垂直集成光子小芯片组件，其中，所述光纤阵列包括光转向部件，所述光转向部件用于将光引导到位于所述光子芯片的顶表面处的所述光耦合器件中并且用于重新引导从位于所述光子芯片的顶表面处的所述光耦合器件发出的光。51.根据权利要求50所述的垂直集成光子小芯片组件，其中，所述光纤阵列包括光透镜化部件，所述光透镜化部件用于将光聚焦到位于所述光子芯片的顶表面处的所述光耦合器件中。52.根据权利要求39所述的垂直集成光子小芯片组件，其中，所述光子芯片的第一部分包括所述光子芯片的侧表面，其中，所述光耦合器件位于所述光子芯片的侧表面处在所述光子芯片的所述第一部分内。
53.根据权利要求52所述的垂直集成光子小芯片组件，其中，所述封装衬底包括在所述封装衬底的边缘处形成在所述封装衬底的顶表面内的切口区，所述光纤阵列在所述切口区内固定到所述封装衬底，使得所述光纤阵列的多个光纤光耦合到位于所述光子芯片的侧表面处的所述光耦合器件。54.根据权利要求53所述的垂直集成光子小芯片组件，其中，所述光纤阵列包括光透镜化部件，所述光透镜化部件用于将光聚焦到位于所述光子芯片的侧表面处的所述光耦合器件中。55.一种用于制造垂直集成光子小芯片组件的方法，所述方法包括：具有封装衬底的第一部分；将光子芯片放置在所述封装衬底的所述第一部分上，所述光子芯片包括在所述光子芯片的顶表面处的光耦合器件；在所述封装衬底的所述第一部分上和在所述光子芯片上形成所述封装衬底的第二部分；形成穿过所述封装衬底的所述第二部分的第一组导电通孔结构以与所述光子芯片上的暴露的电触点电连接；在所述衬底封装的所述第二部分上形成第一组导电接触焊盘，所述第一组导电接触焊盘被形成为与所述第一组导电通孔结构中的相应导电通孔结构电连接；在所述封装衬底的所述第二部分上和在所述第一组导电接触焊盘上形成所述封装衬底的第三部分；形成穿过所述封装衬底的所述第三部分的第二组导电通孔结构以与所述第一组导电接触焊盘中的一些电连接；在所述衬底封装的所述第三部分上形成第二组导电接触焊盘，所述第二组导电接触焊盘被形成为与所述第二组导电通孔结构中的相应导电通孔结构电连接；形成穿过所述封装衬底的所述第三部分和所述封装衬底的所述第二部分的开口，以暴露在所述光子芯片的顶表面处的所述光耦合器件；将外部器件倒装芯片连接到所述第二组导电接触焊盘；以及将光纤阵列固定在所述开口内，使得所述光纤阵列内的光纤与在所述光子芯片的顶表面处的所述光耦合器件中的相应光耦合器件光耦合。56.根据权利要求55所述的方法，其中，所述封装衬底的第一、第二和第三部分被整体地组合以将所述封装衬底形成为单片结构。57.根据权利要求55所述的方法，其中，形成穿过所述封装衬底的所述第三部分和所述封装衬底的所述第二部分的所述开口包括执行第一粗去除工艺，接着是第二精细去除工艺，所述第二精细去除工艺包括等离子体蚀刻工艺。58.根据权利要求55所述的方法，还包括：在所述封装衬底的所述第一部分上形成平台，其中，将所述光子芯片放置在所述封装衬底上包括将所述光子芯片设置在所述平台上。59.根据权利要求55所述的方法，还包括：在形成所述第一组导电通孔结构之后平坦化所述封装衬底的所述第二部分的上表面。60.根据权利要求55所述的方法，还包括：
在所述外部器件和所述封装衬底之间设置介电底部填充材料。61.根据权利要求55所述的方法，还包括：在所述开口内在所述光纤阵列周围设置光折射率匹配粘合剂。62.一种用于制造垂直集成光子小芯片组件的方法，所述方法包括：具有封装衬底的第一部分；将光子芯片放置在所述封装衬底的所述第一部分上，所述光子芯片包括在所述光子芯片的侧表面处的光耦合器件；在所述封装衬底的所述第一部分上和在所述光子芯片上形成所述封装衬底的第二部分；形成穿过所述封装衬底的所述第二部分的第一组导电通孔结构以与所述光子芯片上的暴露的电触点电连接；在所述衬底封装的所述第二部分上形成第一组导电接触焊盘，所述第一组导电接触焊盘被形成为与所述第一组导电通孔结构中的相应导电通孔结构电连接；在所述封装衬底的所述第二部分上和在所述第一组导电接触焊盘上形成所述封装衬底的第三部分；形成穿过所述封装衬底的所述第三部分的第二组导电通孔结构以与所述第一组导电接触焊盘中的一些电连接；在所述衬底封装的所述第三部分上形成第二组导电接触焊盘，所述第二组导电接触焊盘被形成为与所述第二组导电通孔结构中的相应导电通孔结构电连接；形成穿过所述封装衬底的所述第三部分和所述封装衬底的所述第二部分并且进入所述封装衬底的所述第一部分中的切口区，以暴露在所述光子芯片的侧表面处的所述光耦合器件；将外部器件倒装芯片连接到所述第二组导电接触焊盘；以及将光纤阵列固定在所述切口区内，使得所述光纤阵列内的光纤与在所述光子芯片的侧表面处的所述光耦合器件中的相应光耦合器件光耦合。63.根据权利要求62所述的方法，其中，所述封装衬底的第一、第二和第三部分被整体地组合以将所述封装衬底形成为单片结构。64.根据权利要求62所述的方法，其中，形成穿过所述封装衬底的所述第三部分和所述封装衬底的所述第二部分的所述切口区包括执行第一粗去除工艺，接着是第二精细去除工艺，所述第二精细去除工艺包括等离子体蚀刻工艺。65.根据权利要求62所述的方法，还包括：在所述封装衬底的所述第一部分上形成平台，其中，将所述光子芯片放置在所述封装衬底上包括将所述光子芯片设置在所述平台上。66.根据权利要求62所述的方法，还包括：在形成所述第一组导电通孔结构之后平坦化所述封装衬底的所述第二部分的上表面。67.根据权利要求62所述的方法，还包括：在所述外部器件和所述封装衬底之间设置介电底部填充材料。68.根据权利要求62所述的方法，还包括：在所述切口区内在所述光纤阵列周围设置光折射率匹配粘合剂。
69.一种用于制造垂直集成光子小芯片组件的方法，所述方法包括：具有载体晶片，其中，临时膜设置在所述载体晶片上并且金属层设置在所述临时膜上；将光子芯片放置在所述金属层上，所述光子芯片包括位于所述光子芯片的侧表面处的光耦合器件；将光波导放置在所述金属层上，其中，所述光波导光耦合到在所述光子芯片的侧面处的所述光耦合器件，所述光波导在所述垂直集成光子小芯片组件的侧表面处暴露；在所述金属层上形成一个或多个导电柱；在所述金属层上、在所述光子芯片上、在所述光波导上以及在所述导电柱之间和周围设置模制化合物层，使得所述导电柱中的每一个的部分被暴露；在所述模制化合物层上形成介电材料层；在形成所述介电材料层之后，去除所述载体晶片、所述临时膜和所述金属层；在所述光子芯片和所述光波导上且与所述光子芯片和所述光波导接触地形成重分布层，所述重分布层还形成在所述模制化合物材料层和所述导电柱上，所述重分布层包括到所述光子芯片的电连接和到所述导电柱的电连接，所述重分布层还包括暴露的导电接触焊盘；将外部器件倒装芯片连接到所述重分布层的导电接触焊盘；以及将光纤阵列固定到所述垂直集成光子小芯片组件上，使得所述光纤阵列内的光纤与在所述垂直集成光子小芯片组件的侧表面处暴露的所述光波导内的相应光传送结构光耦合。70.根据权利要求69所述的方法，其中，所述光子芯片和所述光波导以并排接触方式被定位在所述模制化合物材料层内。71.根据权利要求69所述的方法，还包括：在所述光子芯片和所述光波导之间施加光学粘合剂。72.根据权利要求69所述的方法，还包括：平坦化所述模制化合物层以暴露所述导电柱中的每一个的所述部分。73.根据权利要求69所述的方法，还包括：在形成所述介电材料层之前，在所述模制化合物层上形成电迹线。74.根据权利要求69所述的方法，还包括：在所述导电柱上形成导电接触焊盘。75.一种用于制造垂直集成光子小芯片组件的方法，所述方法包括：具有包括顶表面的封装衬底，所述封装衬底包括连接到在所述封装衬底的顶表面上的第一组导电接触焊盘的电路；将光子芯片放置在所述封装衬底内，使得所述光子芯片的顶表面在所述封装衬底的顶表面处暴露，所述光子芯片的顶表面包括光耦合器件和第二组导电接触焊盘；将外部器件倒装芯片连接到所述第一组导电接触焊盘和所述第二组导电接触焊盘两者；以及将光纤阵列固定到所述垂直集成光子小芯片组件，使得所述光纤阵列内的光纤与在所述光子芯片的顶表面处的所述光耦合器件中的相应光耦合器件光耦合。76.根据权利要求75所述的方法，还包括：在所述光子芯片与所述封装衬底之间设置粘合剂。
77.根据权利要求75所述的方法，还包括：在所述封装衬底上形成平台，其中，将所述光子芯片放置在所述封装衬底内包括将所述光子芯片设置在所述平台上。78.根据权利要求75所述的方法，还包括：在所述外部器件和所述封装衬底之间设置介电底部填充材料。79.根据权利要求75所述的方法，其中，使用光折射率匹配粘合剂将所述光纤阵列固定到所述垂直集成光子小芯片组件。80.一种用于制造垂直集成光子小芯片组件的方法，所述方法包括：具有包括顶表面的封装衬底，所述封装衬底包括连接到在所述封装衬底的顶表面上的第一组导电接触焊盘的电路；将光子芯片放置在所述封装衬底内，使得所述光子芯片的顶表面在所述封装衬底的顶表面处暴露，所述光子芯片包括位于所述光子芯片的侧表面处的光耦合器件，所述光子芯片包括在所述光子芯片的顶表面处的第二组导电接触焊盘；将外部器件倒装芯片连接到所述第一组导电接触焊盘和所述第二组导电接触焊盘两者；在所述封装衬底的边缘处形成穿过所述封装衬底的顶表面的切口区；以及在所述切口区内将光纤阵列固定到所述封装衬底，使得所述光纤阵列内的光纤与在所述光子芯片的侧表面处的所述光耦合器件中的相应光耦合器件光耦合。81.根据权利要求80所述的方法，还包括：在所述光子芯片与所述封装衬底之间设置粘合剂。82.根据权利要求80所述的方法，还包括：在所述封装衬底上形成平台，其中，将所述光子芯片放置在所述封装衬底内包括将所述光子芯片设置在所述平台上。83.根据权利要求80所述的方法，还包括：在所述外部器件和所述封装衬底之间设置介电底部填充材料。84.根据权利要求80所述的方法，其中，使用光折射率匹配粘合剂将所述光纤阵列固定到所述封装衬底。85.一种用于制造垂直集成光子小芯片组件的方法，所述方法包括：具有载体晶片，其中，临时膜设置在所述载体晶片上并且金属层设置在所述临时膜上；将第一光子芯片放置在金属层上，所述第一光子芯片包括位于所述第一光子芯片的侧表面处的第一组光耦合器件；将第二光子芯片放置在金属层上，所述第二光子芯片包括位于所述第二光子芯片的侧表面处的第二组光耦合器件；将光波导放置在所述金属层上，其中，所述光波导光耦合到在所述第一光子芯片的侧面处的所述第一组光耦合器件并且到在所述第二光子芯片的侧面处的所述第二组光耦合器件；在所述金属层上形成一个或多个导电柱；在所述金属层上、在所述第一光子芯片上、在所述光波导上、在所述第二光子芯片上以及在所述导电柱之间和周围设置模制化合物层，使得所述导电柱中的每一个的部分被暴
露；在所述模制化合物层上形成介电材料层；在形成所述介电材料层之后，去除所述载体晶片、所述临时膜和所述金属层；在所述第一光子芯片、所述光波导和所述第二光子芯片上且与所述第一光子芯片、所述光波导和所述第二光子芯片接触地形成重分布层，其中，所述重分布层还形成在所述模制化合物材料层和所述导电柱上，所述重分布层包括电连接到所述第一光子芯片的第一组导电接触焊盘，所述重分布层包括电连接到所述第二光子芯片的第二组导电接触焊盘；将第一外部器件倒装芯片连接到所述重分布层的所述第一组导电接触焊盘；以及将第二外部器件倒装芯片连接到所述重分布层的所述第二组导电接触焊盘。86.根据权利要求85所述的方法，其中，所述第一光子芯片和所述光波导以并排接触方式被定位在所述模制化合物材料层内，并且其中，所述第二光子芯片和所述光波导以并排接触方式被定位在所述模制化合物材料层内。87.根据权利要求85所述的方法，还包括：在所述第一光子芯片与所述光波导之间以及在所述第二光子芯片与所述光波导之间施加光学粘合剂。88.根据权利要求85所述的方法，还包括：平坦化所述模制化合物层以暴露所述导电柱中的每一个的所述部分。89.根据权利要求85所述的方法，还包括：在形成所述介电材料层之前，在所述模制化合物层上形成电迹线。90.根据权利要求85所述的方法，还包括：在所述导电柱上形成导电接触焊盘。

技术总结
垂直集成光子小芯片组件包括封装衬底和连接到该封装衬底的顶表面的外部器件。光子芯片设置在该封装衬底内。光子芯片包括位于光子芯片的顶表面处的光耦合器件。多个导电通孔结构设置在该封装衬底内与光子芯片内的电路电连接。多个导电通孔结构通过封装衬底电连接到外部器件。穿过衬底的顶表面形成开口以暴露光耦合器件所位于的光子芯片的顶表面的部分。光纤阵列设置并固定在开口内，使得光纤阵列的多个光纤光耦合到光耦合器件。个光纤光耦合到光耦合器件。个光纤光耦合到光耦合器件。


技术研发人员：张崇 R
受保护的技术使用者：埃亚尔实验室公司
技术研发日：2020.10.28
技术公布日：2022/7/29